Je leest:

Kijken naar de geboorte van zonnestelsels

Kijken naar de geboorte van zonnestelsels

Auteur: | 20 september 2019
Peter Vogg met toestemming

Verscholen tussen de pieken van de Andes turen 66 schotelantennes de ruimte in. Radiotelescoop ALMA is het duurste observatorium op aarde en geeft ons een blik op kersverse zonnestelsels. NEMO Kennislink gaat op bezoek.

Gebouwen ter ondersteuning en besturing van radiotelescoop ALMA in het noordoosten van Chili. Deze staan zo’n twee kilometer lager dan ALMA’s antennes.

Het is zes graden onder nul en er waait een snijdende wind. De bodem is een combinatie van hard zand en aangevroren sneeuw. Ongenadig hard schijnt de zon en iedere beweging kost me moeite; na een eindje lopen snak ik naar adem. Ik ben op 5050 meter hoogte waar we net na een busritje van drie kwartier zijn afgezet. Voor me rijzen er twaalf schotelantennes als reuzen op.

Dit is ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), een radiotelescoop met in totaal 66 schotelantennes verspreid over een kilometers groot plateau in de bergen. Planeetvorming is een onderzoeksveld dat de afgelopen jaren een enorme stimulans kreeg door ALMA. Sinds de ingebruikname van de telescoop in 2012 kijken we rechtstreeks in de kraamkamers van de kosmos. Daar waar gaswolken in de ruimte onder invloed van de zwaartekracht samentrekken om uiteindelijk keurige planetenstelsels te worden, inclusief aardachtige planeten met vulkanische landschappen zoals de plek waar ik nu ben.

Ten opzichte van de waarnemingen vóór ALMA is het alsof we van de eerste telescopen uit de tijd van Galileo Galilei naar ruimtetelescoop Hubble zijn gegaan, aldus een betrokkene. Ik neem een flesje met extra zuurstof mee begeef me op de Chileense hoogvlakte voor een blik op een van de meest geavanceerde observatoria in de wereld.

Doodse uithoek

Waarom staat ALMA uitgerekend in deze even mooie maar doodse uithoek van de wereld? Het antwoord is ‘water’. Water is de vijand van een telescoop als ALMA. De radiostraling waarvoor de ontvangers van de schotels gevoelig zijn (met een golflengte van 0,3 tot 9 millimeter) wordt geabsorbeerd door vocht in de atmosfeer. Hier in de Atacama-woestijn is het niet alleen erg droog maar ook hoog. De helft van de atmosfeer (inclusief het vocht) zit ónder je. Bovendien is de plek goed bereikbaar. Terwijl we wat betreft hoogte bóven de top van de Mont Blanc zitten, zijn we net met een passagiersbus over een verharde weg gearriveerd.

NEMO Kennislinkredacteur Roel van der Heijden voor de twaalf schotelantennes die het hart van radiotelescoop ALMA vormen.
Peter Vogg met toestemming

In de verte ontdek ik nog meer schotels, onder andere aan de voet van een lang geleden uitgedoofde vulkaan. De verst verwijderde exemplaren zie ik niet. Tussen de twee uiterste schotels zit naar verluidt zestien kilometer. Ondanks hun eenzame verschijning in het landschap zijn deze schotels innig met elkaar verknoopt. De tot enkele graden boven het absolute nulpunt (zo’n 270 graden onder nul) gekoelde ontvangers in de schotels sturen hun signalen naar een grote computer in het hoofdgebouw beneden, waar de gegevens worden gecombineerd tot een bruikbaar signaal.

Een ALMA-schotel met een voertuig dat hem kan verplaatsen. Wat betreft weer kan het spoken op de Chileense hoogvlakte. Het is op papier een woestijn met nauwelijks neerslag, maar hoog in de bergen kan het sneeuwen. De fijne sneeuw kan door de wind metershoog worden opgestuwd, wat werken met ALMA soms lastig maakt.

Dit is de reden dat ALMA zo krachtig is. De computer vormt de schotels om tot een denkbeeldige schotelantenne van maximaal zestien kilometer in doorsnede, die zeer scherp ziet. De radiotelescoop kan (weliswaar in het radiospectrum) kleinere details aan de hemel waarnemen dan bijvoorbeeld ruimtetelescoop Hubble. De schotels hebben samen bovendien een oppervlak van 6600 vierkante meter, ruwweg een voetbalveld. Dat zorgt voor een hoge gevoeligheid en kan ALMA de relatief zwakke signalen van bijvoorbeeld planetenstelsels in wording oppikken.

Alles zelf regelen

Het is geen sinecure om een radiotelescoop in dit deel van de wereld te bouwen en onderhouden, weet Rieks Jager, astronoom van onder andere de Radboud Universiteit, die drie jaar in Chili woonde en betrokken was bij de bouw en logistiek van ALMA. “Echt prachtig om op zo’n plek te werken, maar je moet werkelijk alles zelf regelen; er was niets. Geen weg, geen energievoorziening”, zegt hij. ALMA en het basiskamp beschikken over een eigen kleine energiecentrale op gas die nu – na wat opstartproblemen – twee tot drie megawatt aan stroom levert.

De bouw van ALMA was logistiek gezien uitdagend. Maar dat geldt ook voor de besturing van het apparaat. Met twee speciale voertuigen worden de 66 schotels voortdurend over de hoogvlakte rondgereden en neergezet op een van de 192 staanplaatsen: een betonnen ondergrond met aansluitingen voor energie en communicatie. “Iedere dag wordt er wel een schotel verplaatst via de wegen die over de hoogvlakte lopen”, zegt Jager. “Daarnaast krijgen de schotels jaarlijks onderhoud waarbij technici elektronica van de ontvangers vervangen.”

Het hart van radiotelescoop ALMA in aanbouw, gezien vanuit de lucht. Naast de schotelantennes zijn ook plekken zichtbaar waarnaar ze verplaatst kunnen worden: de ronde betonnen plateaus.
Twintig schijven van stof en gas rondom jonge sterren gezien door radiotelescoop ALMA. De ringen worden mogelijk gevormd door jonge planeten (niet zichtbaar) die delen van de stofschijven ‘schoonvegen’. Uit deze schijven ontstaan uiteindelijk planetenstelsels zoals ons eigen zonnestelsel.

Planetenstelsels spotten

Een belangrijke taak van ALMA is het spotten van extreem jonge sterren met daaromheen ronddraaiende schijven van gas en stof. Dat materiaal klontert in de loop van miljoenen jaren samen tot een zonnestelsel zoals het onze. Vóór ALMA waren er alleen maar vage plaatjes van die zogenoemde protoplanetaire schijven. Maar toen opende ALMA onze ogen.

“Opeens zagen we structuren zoals openingen in de schijven. Dat zijn waarschijnlijk plekken waar zich planeten vormen of hebben gevormd”, zegt Michiel Hogerheijde, universitair hoofddocent van de Universiteit Leiden die met ALMA stervormingsgebieden op afstanden van enkele honderden tot duizend lichtjaar onderzoekt. Vreemd genoeg zijn die planeten níet zichtbaar met ALMA. Daarvoor zijn ze te klein en geven een te zwak signaal. Ter vergelijking: de kleinste structuren die de telescoop nog nét ziet zijn ruwweg zo groot als de baan die de aarde om de zon trekt.

Hogerheijde zegt dat ze de samenstelling van de schijven kunnen bepalen, en dat blijkt dat er chemisch van alles gebeurt. Het meeste materiaal in zo’n schijf is waterstof in de moleculaire vorm (H2). “Jammer voor ons, want dat kunnen we dus niet zien”, zegt hij. “We richten ons op andere stoffen zoals koolstofmonoxide en proberen aan de hand daarvan de totale hoeveelheid materiaal in de schijf te schatten.”

Razendsnelle planeetvorming

Daar duikt een probleem op. De geschatte hoeveelheid materiaal in protoplanetaire schijven is bij lange na niet genoeg om het ontstaan van zonnestelsels zoals het onze te kunnen verklaren, vaak is zo’n negentig procent of meer ‘zoek’. Het is mogelijk dat deze schijven al zijn geëvolueerd tot planetenstelsels, waarbij het merendeel van het materiaal in jonge planeten zit. “Die planeten moeten zich dan binnen een of twee miljoen jaar hebben gevormd”, zegt Hogerheijde. “Maar dat is een stuk sneller dan onze planeetvormingsmodellen voorspellen. Blijkbaar zijn er mechanismes aan het werk die we niet kennen.”

Uitgelicht door de redactie

Astronomie
Nobelprijs natuurkunde voor kosmologie en exoplaneten

Scheikunde
Nobelprijs scheikunde voor uitvinders lithium-ion-batterij

Geesteswetenschappen
Nobelprijs voor Literatuur ‘een behoudende keuze’

De aarde. ALMA vindt in jonge zonnestelsels ook organische moleculen die in ons eigen zonnestelsel zijn teruggevonden op kometen. Het is mogelijk dat dit soort moleculen zo op planeten zoals de aarde worden bezorgd. Overigens lijkt de aarde relatief ‘arm’ te zijn aan lichte elementen zoals koolstof en zuurstof die nodig zijn om deze stoffen te vormen.

Hogerheijde zegt dat het onderzoek met ALMA aan jonge planeetschijven pas net op stoom raakt. “Van ruim twintig schijven hebben we afbeeldingen met redelijk wat detail. Daarin zien we gaten en soms verdichtingen waar mogelijk een planeet ontstaat”, zegt hij. “Van twee- tot driehonderd schijven hebben we vluchtige opnames met weinig details, we moeten die veel langer waarnemen dan de paar minuten waarvan nu vaak sprake is.” ALMA kan maar naar één object tegelijk kijken en het aantal aanvragen van astronomen voor waarnemingen is overweldigend.

Zwart gaten en kosmische chemie

ALMA kijkt niet alleen naar verse zonnestelsels maar vangt ook radiosignalen op van uitgestrekte en ijle gaswolken die zich tussen de sterren ophouden. Ondanks de extreem lage temperaturen vindt daar een chemisch spel plaats waarbij er stoffen ontstaan waarvan we het bestaan in ruimte nooit voor mogelijk hadden gehouden. Verder speelde ALMA een belangrijke rol bij het vastleggen van de omgeving van zwarte gat in het centrum van sterrenstelsel M87 in april van dit jaar.

Een beeld van het zwarte gat in het sterrenstelsel M87. Het werd gemaakt door radiotelescopen van de Event Horizon Telescope.

Niet alleen ziet ALMA structuren in de gasschijven, maar kan de telescoop op basis van de golflengtes van de ontvangen signalen bepalen welke stoffen er in zo’n schijf zitten. “We zien bijvoorbeeld formaldehyde, methanol en waterstofcyanide. Iedere stof is weer anders verdeeld. Sommige komen dichterbij de ster voor, andere zitten verder weg. Dat hangt samen met de temperatuur op die plek in de schijf, die uiteenloopt van -250 graden Celsius tot honderden graden boven nul. Ook de hoeveelheid ultraviolette straling van de ster speelt mee en aanwezige stofdeeltjes waaraan de stoffen kunnen vastvriezen en weer verdampen. Dit soort schijven blijken grote chemische reactievaten die we niet goed begrijpen”, zegt Hogerheijde.

Het liefst zou Hogerheijde zo jong mogelijke schijven waarnemen met ALMA, bij sterren die zich nog vormen. “Als er op dat moment al een protoplanetaire schijf met planeten blijkt te zijn dan hebben we echt iets nieuws. Dan gaat planeetvorming véél sneller dan we voor mogelijk hielden”, zegt hij. “Aan de gevoelige en scherpe waarnemingen die daarvoor nodig zijn begint ALMA nu pas.”

De zon met daaromheen verschillende planeten (niet op schaal). Het idee dat het zonnestelsel is ontstaan uit een samentrekkende wolk van materiaal is al zo’n twee eeuwen oud. Bij het samentrekken ontstaat uiteindelijk een schijf waarin al het materiaal dezelfde richting op draait. Alle planeten draaien in het zelfde vlak in dezelfde richting om de zon.

Schotels erbij

Het handige van een radiotelescoop is dat hij uit zoveel verschillende onderdelen bestaat. De bouw van de 66 schotels kon vrij eenvoudig worden opgesplitst voor de drie verschillende ‘partners’, de Europese Zuidelijke Sterrenwacht ESO, de Amerikaanse National Science Foundation en een aantal andere, voornamelijk Aziatische, landen. De schotels kwamen daarom uit drie verschillende ‘productielijnen’. “Niet per se de meest efficiënte aanpak, maar dat is een consequentie van zo’n groot project”, zegt Jager. “Politiek is nu eenmaal van invloed. Alle partijen willen in zo’n project een belangrijke rol spelen.”

Maar daardoor kan ALMA ook relatief makkelijk groeien. Er wordt nagedacht over een uitbreiding met enkele schotels op een paar honderd kilometer afstand aan de andere kant van de Chileens-Argentijnse grens. ALMA werkt ook al samen met andere radiotelescopen. Afgelopen jaar speelde het observatorium een hoofdrol in de metingen die het zwarte gat in het hart van sterrenstelsel M87 in kaart brachten. Een nog wilder plan is het netwerk van telescopen uitbreiden tot in de ruimte. “Dat zou helemaal mooi zijn,” zegt Jager, “want daar hebben we helemaal geen last van een atmosfeer en waterdamp. Daar heb je namelijk overal op aarde – zelfs hier bij ALMA – last van.”

Deze publicatie is tot stand gekomen met steun van het VWN Tripfonds onder beheer van de Vereniging voor Wetenschapsjournalistiek en -communicatie Nederland.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 20 september 2019

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.